DE69204723T2

DE69204723T2 - Aus einer Mehrzahl von Kältekreisläufen bestehende Kältevorrichtung.

Info

Publication number: DE69204723T2
Application number: DE69204723T
Authority: DE
Inventors: Masaru Ibaragi Factory Moriya-Cho Kitasohma-Gun Ibaragi Kitaguchi; Shigeru Nerima-Ku Tokyo Sakashita
Original assignee: Asahi Breweries Ltd; Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2012-04-17
Also published as: CA2211525A1; CA2066371A1; EP0510888A2; DE69204723D1; AU652820B2; EP0510888A3; US5347831A; EP0510888B1; DK0510888T3; CA2211525C; US5239835A; CA2066371C; AU1504292A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung des Wärmewirkungsgrades einer Kältevorrichtung bzw. eines Kältesystems, das eine Mehrzahl von Kühl- bzw. Kältekreisläufen enthält, und insbesondere bezieht sie sich auf:
die primäre Verbesserung des Wärmewirkungsgrades eines Kältesystems, das eine Mehrzahl von Kältekreisläufen enthält, die jeweils mit einer Mehrzahl von Kältemittel-Dampfleitungen verbunden sind, wobei durch jede davon jeweils ein Kühl- bzw. Kältemittelstrom mit einer unterschiedlichen Verdampfungstemperatur fließt; und
die sekundäre Verbesserung des Wärmewirkungsgrades eines Kältesystems, das eine Mehrzahl von Kältekreisläufen enthält, von dem jeder eine unterschiedliche Kondensationstemperatur oder einen unterschiedlichen Kondensationsdruck des Kältemittels aufweist.
Verschiedene Arten von Flüssigkeiten oder Gasen müssen bei der Fertigstellung oder weiteren Behandlung in der Lebensmittelindustrie, wie z.B. Brauereien, abgekühlt werden, und sie werden gewöhnlich durch individuelle Kältekreisläufe gekühlt, die unabhängig und separat voneinander vorgesehen sind und bedient werden, da sich Ideen bzw. Konzepte der umfangreichen Integration von derartigen individuellen Kältekreisläufen noch nicht notwendigerweise durchgesetzt haben.
Eine Anzahl von Systemen mit einem verbesserten Wärmewirkungsgrad bzw. einer verbesserte Wärmeausnutzung wurden bereits vorgeschlagen, aber sie dienen nur dem Zweck einer Verbesserung des Wärmewirkungsgrades in einem einzelnen Kältekreislauf.
In Lebensmittelwerken bzw. -anlagen, wie z.B. Brauereien, existieren jedoch tatsächlich viele Arten von zu kühlenden Gütern bzw. Kühlgütern, und die Kühltemperaturen werden dementsprechend in viele Temperaturniveaus unterteilt. Ferner variiert jedes Kühlgut mit der Zeit und von einem Tag auf den anderen hinsichtlich seiner Menge bzw. des Anfalls und seinem Verhältnis zum Gesamtgut.
Somit sollte eine umfassende Verbesserung der Wärmeausnutzung angestrebt werden, wobei eine Kombination von einer Mehrzahl von Kältekreisläufen zu betrachten ist, die individuelle, gesonderte Kühlgüter aufweisen.
Die folgenden beiden Systeme sind bekannt als die Kältesysteme, mit denen die oben beschriebenen Kühlgüter mit verschiedenen Temperaturen und großer Vielfalt behandelt werden können.
Ein Kältesystem weist, wie in Figur 2 dargestellt ist, Verdichter bzw. Kompressoren 11, Verflüssiger bzw. Kondensatoren 12, Speicher bzw. Behälter 13, Expansionsventile 14 und Verdampfer bzw. Evaporatoren 15 auf. Die Evaporatoren 15 und die Kompressoren 11 sind miteinander durch eine gewöhnliche Kälteträger- bzw. Kältemitteldampfleitung 16 verbunden und im System integriert.
Die Verdampfungsdrücke in den jeweiligen Evaporatoren werden durch Einstellen der Ventilöffnung eines Verdampfungsdruckregulators (EPR) 17, oder durch Einstellen der Fließrate des Kältemittels bzw. Kälteträgers, wie z.B. Kühlwasser, Kältemittel etc. gesteuert, das jeden Kondensator (Wärmetauscher) 12 versorgt, während alle Kompressoren Kältemittelgas bei einem Druck ansaugen, der mit der niedrigsten Verdampfungstemperatur (in diesem Fall -10ºC) korrespondiert, welche unterhalb der Verdampfungstemperatur des Evaporators liegt.
Ein anderes Kältesystem, das in Figur 3 dargestellt ist, enthält eine Gruppe von separaten Kältekreisläufen, die einzeln mit der notwendigen Ausrüstung, wie z.B. einem Kompressor, einem Kondensator, einem Speicher, etc., versehen sind, wobei jeder von diesen Kältekreisläufen fest einem bestimmten Kühlgut zugewiesen ist.
Eine große Leistungsabgabe ist bei dem in Figur 2 dargestellten Kältesystem erforderlich, da alle Kompressoren das Kältemittelgas bei der niedrigsten Verdampfungstemperatur (-10ºC) ansaugen müssen. Zusätzlich kann außer den Kompressoren 11 ein spezifischer Kompressor nicht immer einem spezifischen Gut selektiv zugeordnet werden, und eine Optimierung der Aufteilung der Güter zu den Kompressoren ist nicht durchführbar, was zu einem höheren Energieverbrauch im Ganzen führt.
Wenn ein Kompressor 11 defekt ist, gerät bei dem in Figur 3 dargestellten Kältesystem der Kältekreislauf, der zu dem Kompressor bezogen ist, als Ganzes außer Betrieb. Ebenso ist keine Ersatzeinrichtung für einen Kältekreislauf verfügbar.
Das Dokument EP 0 076 763 A zeigt ein Kältesystem auf, das eine Mehrzahl von Kältekreisläufen enthält, die mit unterschiedlichen Ansaugtemperaturen betrieben werden, wobei für Ersatzzwecke die Ansaugseite eines Kompressors mit der Ansaugseite der anderen Kältekreisläufe verbunden sein kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein derartiges Kältesystem zu schaffen, bei dem die für das Kältesystem erforderliche Leistung durch Anheben der Verdampfungstemperaturen in den Evaporatoren soweit wie möglich und/oder durch Optimierung der Kühlgutverteilung reduziert werden kann, sowie ein derartiges Kältesystem zu schaffen, dessen Betriebssicherheit dadurch wesentlich verbessert wird, daß alle Kompressoren mit einem Austauschbzw. Ersatzsystem versehen sind.
Im folgenden wird auf die in Figur 6 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezug genommen. Dort sind Kältekreisläufe vorgesehen, die in einigen Fällen bei zueinander unterschiedlichen Kondensationstemperaturen betreibbar sind, z.B. wenn einer der Kondensatoren im System für die beiden Zwecke der Verflüssigung des Kältemittels und zur Erzeugung von warmen Wasser aus dem Kühlwasser durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel verwendet wird. In diesem Fall kann das Kältemittel dazu veranlaßt werden, sich von einem Kältemittelkreislauf zu einem anderen zu verlagern, und zwar aufgrund der bestehenden Unterschiede in den Kondensationsdrücken des Kältemittels in ihren Kondensatoren.
Zur Lösung dieses Problems kann ein gemeinsamer Behälter 13a im System angeordnet werden, wie durch die strichpunktierte Linie in Figur 6 dargestellt ist. In diesem Fall können möglicherweise jedoch Vorteile des Kühlkennwerts bzw. der Kühlgrundeinheit (refrigeration base unit) infolge der Ausbildung der separaten Verdampfungstemperatur-Leitungen 21, 22 und 23 verlorengehen, da der Kondensationsdruck auf den höchsten Wert unter denen der Kondensatoren gesetzt werden muß.
Es ist daher wünschenswert, ein Kältesystem zu schaffen, das eine Mehrzahl von Kältekreisläufen aufweist, wodurch die Kühlgrundeinheit wesentlich verbessert werden kann.
Im folgenden werden Kühleinrichtungen beschrieben, die zur Kühlung einer Flüssigkeit mit einem Kältesystem verwendet werden, das eine Mehrzahl von Kältekreisläufen aufweist. Bezüglich der Einzelheiten wird auf eine herkömmliche Flüssigkeitskühleinrichtung dieser Art Bezug genommen, die in Figur 10 dargestellt ist und eine Kühleinrichtung zum Erzeugen von Kühlwasser für Malz aufzeigt. Das Kühlwasser für das Malz mit ungefähr 3ºC wird zum Abkühlen von Malzsaft bis auf 6ºC in einem Gegenstrom-Plattenwärmetauscher verwendet, bevor der Malzsaft zum Gärverfahren weitergeleitet wird und nachdem er bis auf nahezu 100ºC bei einem Zubereitungsvorgang des Brauens erhitzt bzw. abgekocht ist.
Die Einrichtung zum Abkühlen von Kühlwasser für Malz weist, wie in Figur 10 dargestellt ist, einen Kältekreislauf mit einem Kompressor 11, einem Kondensator 12, einem Behälter 13, einem Expansionsventil 14 und einem Evaporator 15 auf, wodurch Salzsole bzw. Salzlauge im Evaporator 15 abgekühlt werden kann.
Die Salzlauge zirkuliert in einer Salzlaugenumlaufleitung 79 von einem Salzlaugentank 77 über eine Pumpe 78 durch den Evaporator 15. Die kalte Salzlauge zirkuliert in einer Salzlaugenumlaufleitung 81 vom Salzlaugentank 77 über eine Pumpe 80 durch einen Wärmetauscher 83. Zum Abkühlen des Roh- bzw. Reinwassers wird zwischen der Salzlauge, die in der Umlaufleitung 81 zirkuliert und dem Roh- bzw. Reinwasserfluß in der Roh- bzw. Reinwasserleitung 82 ein Wärmeaustausch im Wärmetauscher 83 durchgeführt.
Wie in Figur 10 dargestellt ist, kann die Einrichtung zum Abkühlen von Kühlwasser für Malz als Wärmepumpe arbeiten, um Wärme von warmem Wasser zurückzugewinnen, das durch Wärmeaustausch mit dem Kühldampf im Kondensator 12 des Kältekreislaufes 76 aufgeheizt wurde. Alternativ kann sie als reines Kältesystem arbeiten, wobei das im Kondensator 12 des Kältekreislaufes 76 erhitzte warme Wasser in einem Kühlturm gekühlt und zum Kondensator 12 zurückgeführt werden kann.
In einer Kühleinrichtung der Warmwasserrückgewinnungsbauweise gemäß der Darstellung in Figur 10 wird das Kühlwasser im Kondensator 12 des Kältekreislaufes 76 z.B. von 25ºC auf 50ºC bei einer Kondensationstemperatur T = 52ºC erwärmt und die Salzlauge wird bis auf -3ºC bei einer Verdampfungstempartur von -10ºC im Evaporator 15 herabgekühlt. Das Reinwasser wird von 25ºC auf 3ºC herabgekühlt.
Bei einer Kühleinrichtung, in der Warmwasser nicht rückgewonnen und Kühlwasser in einem Kühlturm gekühlt wird, wird das Kühlwasser im Kondensator 12 des Kältekreislaufes 76 z.B. von 32ºC auf 37ºC bei einer Kondensationstemperatur Tc = 40ºC erwärmt, und die Salzlauge wird auf -3ºC bei einer Verdampfungstemperatur Te = -10ºC im Evaporator 15 herabgekühlt. Das Reinwasser wird von 25ºC auf 3ºC abgekühlt.
In den oben beschriebenen herkömmlichen Einrichtungen wird die gemeinsame Salzlaugenquelle nicht nur zum Abkühlen von Reinwasser, sondern auch zum Abdecken des Kältebedarfs der abzukühlenden Güter in den anderen Brauverfahren, wie z.B. einem Reifungsverfahren verwendet, somit wird eine Verdampfungstemperatur im Evaporator 15 des Kältekreislaufes 76 annähernd so niedrig wie auf -8 bis -10ºC festgelegt.
Sofern das Kältesystem mit nur einem Ein-Stufen-Kältekreislauf versehen ist, sind eine große Wellenleistung und ein großer Hubraum des Kompressors erforderlich und die Kühlleistungsfähigkeit ist gering, was dazu führt, daß Energieeinsparungen im System nicht erreichbar sind.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß der Definition in Anspruch 1 eine Kältevorrichtung mit:
einer Mehrzahl von Hauptleitungen, die jeweils für jeden der Kältemitteldampfströme mit unterschiedlichen Temperaturen vorgesehen sind, und
einer Mehrzahl von Kältekreisläufen, wobei jeder der Kältekreisläufe versehen ist mit:
einem Kompressor, der mit jeder der Hauptleitungen durch eine jeweilige Ansaugleitung mit einem Ansaugventil verbunden ist,
einem Kondensator zum Kondensieren des vom Kompressor herangeführten Kältemittels,
einem Behälter zur Aufnahme des vom Kondensator ankommenden Kältemittels, und
zumindest einer Verdampfungseinheit für jede Hauptleitung, die im wesentlichen aus einer Expansionseinrichtung und einem Evaporator besteht, wobei die Expansionseinrichtung das vom Behälter ankommende Kältemittel drosselt und in den Evaporator hinein expandiert, und der Evaporator das Kältemittel bei einer dieser unterschiedlichen Temperaturen verdampft, um das Kältemittel in die Hauptleitung zu übertragen, durch die der Kältemitteldampfstrom mit der gleichen Temperatur wie die eine der unterschiedlichen Temperaturen strömt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jeder Kompressor Kältemittel mit der höchstmöglichen Verdampfungstemperatur oder dem höchstmöglichen Verdampfungsdruck von der geeignetsten separaten Hauptleitung durch Wahl eines Ventils ansaugen, welches in der Ansaugleitung zum Schließen, Öffnen oder Drosseln angeordnet ist. Ebenso kann jeder Kompressor dem Kühlgut der für ihn am geeignetsten Verdampfungstemperatur zugeordnet sein. Wenn ein Kompressor ferner außer Betrieb ist, kann er durch die anderen Kompressoren ersetzt werden.
Jeder Kompressor ist in der Lage, bei nahezu Vollbelastung zu arbeiten, wobei eine Optimierung der Belastungsaufteilung erreichbar ist und es jedem Kompressor ermöglicht, Kältemittel mit der geeignetsten und höchstmöglichen Verdampfungstemperatur anzusaugen. Der Leistungsverbrauch kann verringert werden, da die gewünschte Verdampfungstemperatur für einen Kompressor mittels Ventilen in den Ansaugleitungen aus einer Mehrzahl von separaten Hauptleitungen mit individuellen Verdampfungstemperaturen ausgewählt werden kann. Zusätzlich verbessert sich die Zuverlässigkeit des Systems im Betrieb wesentlich, da die Kompressoren durch andere ersetzt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft gemäß Anspruch 4 ein Kältesystem, das ferner eine Einrichtung zur Übertragung eines flüssigen Kältemittels von einem der Behälter zu jedem anderen Behälter aufweist.
Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Art der Kältemittelfließroute durch Wahl eines Ventils zum Schließen oder Öffnen zwischen den Kältemittelkreisläufen mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken bestimmt, wenn das Kältemittel vom Behälter zur Expansionseinrichtung, wie z.B. einem Expansionsventil, übergeleitet wird. Daher wird das Kältemittel von der Überschußseite zur Mangelseite unter den Kältekreisläufen mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken verschoben.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, daß jeder Kältekreislauf durch Wahl eines Ventils in der oben beschriebenen Art zum Schließen oder Öffnen, einen spezifischen Kondensationsdruck aufweisen kann, und sie ermöglicht es, eine unterschiedliche Kondensationstemperatur festzusetzen. Ferner kann sie die Kühl-Grundeinheit bzw. den Kühl-Kennwert (refrigeration base unit) bei einem Kältesystem, das eine Mehrzahl von Kältekreisläufen mit einer gemeinsam verwendeten Kältemittelquelle aufweist, verringern, da eine Verbindungsleitung zwischen den Behältern und den Expansionseinrichtungen vorgesehen ist, und sie mit einem Ventil zu einem selektiven bzw. wahlweisen Schließen oder Öffnen versehen ist. Es ist ferner realisierbar, warmes Wasser in einem Kondensator durch Heraufsetzen der Kondensationstemperatur im Kondensator des Kältekreislaufes herzustellen.
Die Einrichtung zum Übertragen des flüssigen Kältemittels kann eine Verbindungsleitung, eine zwischen der Verbindungsleitung und dem Behälter angeordnete Kältemittelpumpe und ein Rückschlagventil, das zwischen der Verbindungsleitung und dem Behälter angeordnet ist, enthalten.
Hierdurch wird der gleiche wie oben beschriebe Effekt erreicht, da jeder Kältekreislauf einen spezifischen und geeigneten unterschiedlichen Kondensationsdruck durch Wahl einer zu betätigenden Pumpe und eines zu öffnenden Ventils und ferner durch eine geeignete Verteilung des unter Druck stehenden Kältemittels durch die Verbindungsleitung unter bzw. zwischen den Behältern aufweisen kann.
Alternativ kann die Einrichtung zur Übertragung des flüssigen Kältemittels eine Mehrzahl von Verbindungsleitungen, die zwischen den Behältern und den Expansionseinrichtungen ausgebildet sind, und ein Ventil zur Auswahl einer der Verbindungsleitungen aufweisen. Jeder der Behälter kann hierbei über die Verbindungsleitung mit jeder Expansionseinrichtung verbunden sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Kältemittel von einem bestimmten Kältekreislauf mit Kältemittel-Überschuß zu einem anderen Kältekreislauf mit Kältemittel-Unterversorgung übergeleitet bzw. verschoben werden. Ebenso kann eine gemeinsame Kältemittelquelle bei Mehrfach-Kältekreisläufen mit verschiedenen Kondensationsdrücken verwendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand den Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Flußdiagramm eines erstes Kältesystems;
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines herkömmlichen Kältesystems gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines anderen herkömmlichen Kältesystems gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 ein Flußdiagramm eines zweiten Kältesystems, das insbesondere eine Anordnung zur Übertragung von flüssigen Kältemitteln zwischen den Kältemittelkreisläufen aufzeigt;
Fig. 5 ein Flußdiagramm eines dritten Kältesystems, das insbesondere eine andere Anordnung zur Übertragung eines flüssigen Kältemittels zwischen den Kältemittelkreisläufen aufzeigt;
Fig. 6 ein Flußdiagramm eines Kältesystems, das separate Leitungen aufweist, wobei durch jede davon Kältemittel mit unterschiedlichen Temperaturen fließen;
Fig. 7 ein Flußdiagramm, das eine Flüssigkeitskühleinrichtung aufzeigt;
Fig. 8 ein Flußdiagramm das eine andere Flüssigkeitskühleinrichtung aufzeigt;
Fig. 9 ein Flußdiagramm, das eine weitere Flüssigkeitskühleinrichtung aufzeigt;
Fig. 10 ein Flußdiagramm einer herkömmlichen Flüssigkeitskühleinrichtung; und
Fig. 11 ein Diagramm der Korrelation zwischen der Verdampfungstemperatur in ºC des Kältemittels und der Wellenleistung (KW/100 m³/H) des Kompressors.
Zunächst wird Bezug auf die Fig. 1 genommen, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgezeigt. Jede der Mehrzahl der Kältekreisläufe enthält einen Kompressor 11, einen Kondensator 12, einen Behälter 13, ein Expansionsventil 14 und einen Evaporator 15. In diesem System sind vier separate Hauptleitungen 21, 22, 23 und 24 für Kältemitteldampfströme mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen, z.B. 5, 0, -5 und -10ºC vorgesehen.
Diese Temperaturen 5, 0, -5 und -10ºC wurden dabei aus den folgenden Gründen ausgewählt.
Bezüglich dem ersten Grund wird auf Fig. 11 verwiesen, die einen Graphen einer Korrelation zwischen der Verdampfungstemperatur (ºC) des Kältemittels als horizontale Achse und der Wellenleistung (KW/100m³/H) eines Kompressors als vertikale Achse in Abhängigkeit vom Parameter der Kondensationstemperatur des Kältemittels (35ºC, 30ºC und 25ºC) aufzeigt.
Die Korrelation ergibt sich gemäß den folgenden Gleichungen
Kw = (Vth/100) * [(Kwthl(ηi/ηv) + Kwo]
Kwth = 17,85 * Ps * [(Pd/Ps)0,1525 - 1]
ηi/ηv = 0,742 + [0,074 - 0,0012*(Tc - 30)]*(Pd/Ps)+0,0054*(Tc - 30)
Kwo = 1,55
wobei:
KW: Wellenleistung eines Kompressors pro 100 m³/H (BKw)
Vth: theoretische Verdrängung bzw. Fördermenge (m³/H)
Kwth: theoretische Wellenleistung eines Kompressors (BKw)
Ps: Ansaugdruck (ata) (1 ata = 0,980 665 bar)
Pd: Lieferdruck (ata) (1 ata = 0,980 665 bar)
Tc: Kondensationstemperatur (ºC)
Te: Verdampfungstemperatur (ºC)
ηi/ηv: Verhältnis der Nennleistungsfähigkeit zur Volumenleistungsfähigkeit des Kompressors
Kwo: Reibungsleistung pro 100 m³/H (BKw)
Gemäß der Darstellung in Fig. 11 verlaufen die Korrelationskurven im Verdampfungstemperatur-Bereich von -10ºC bis 5ºC im wesentlichen flach. Sofern der Kältekreislauf in diesem Bereich genutzt wird, bedeutet dies, daß die Wellenleistung des Kompressors pro 100 m³/H nicht stark variiert, was mit anderen Worten bedeutet, daß eine gewünschte Temperatur aus diesem Bereich ausgewählt werden kann, ohne daß die Wellenleistung der Antriebseinheit für den Kompressor verändert werden muß, und daher die Antriebseinheit selbst, wie z.B. ein Elektromotor, nicht verändert werden muß. Dies ist der erste Grund für die Auswahl von 5, 0, -5 und -10ºC als Verdampfungstemperaturen.
Der zweite Grund ist, daß Salzlauge oder kaltes Wasser mit 5, 0, -5 und-10ºC tatsächlich in Brauereien verwendet werden und diese 5, 0, -5ºC-Salzlaugen aus einer Salzlauge, die bereits auf -10ºC abgekühlt war, hergestellt werden. In Anbetracht der genannten Gründe wurden obige Temperaturen ausgewählt, um das erfindungsgemäße System mit herkömmlichen System zu vergleichen.
Die separaten bzw. getrennten Hauptleitungen 21, 22, 23 und 24 sind durch Ansaugleitungen 31, 32, 33 und 34, die von den Leitungen 21, 22, 23 und 24 zu jedem Kompressor angeordnet sind, mit jedem der Kompressoren 11 verbunden. Die Ansaugleitungen 31, 32, 33 und 34 jedes Kompressors 11 werden jeweils durch Ansaugventile oder automatische Ventile 41, 42, 43 und 44 gespeist, die zum Schließen oder Öffnen, und/oder Drosseln der Ansaugleitungen verwendet werden. Die Ventile 41, 42, 43 und 44 können manuell betätigt werden.
Das Expansionsventil 14 kann durch eine andere Expansionseinrichtung, wie z.B. ein Kapillarröhrchen, ersetzt werden.
Jeder Kompressor 11 kann Kältemittel mit der höchstmöglichen Verdampfungstemperatur von der für ihn geeignetsten Leitung unter den Leitungen 21, 22, 23 und 24 durch wahlweises Öffnen oder Schließen der Ventile 41, 42, 43 und 44, die durch jede der Ansaugleitungen 31, 32, 33 und 34 gespeist werden, oder durch Drosselung zur Steuerung derselben ansaugen.
Folglich kann der Energieverbrauch reduziert werden, wie im folgenden beschrieben wird. Auch kann durch Auswahl des Ventils (der Ventile) zum Öffnen oder Schließen aus den Ventilen 41, 42, 43 und 44 jeder Kompressor dem zu kühlenden Gut bzw. Kühllast in der geeignetsten Leitung unter den Leitungen 21, 22, 23 und 24 mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen zugeordnet werden. Daher ist eine Optimierung der Last- bzw. Gutaufteilung erreichbar. Ferner kann jeder Kompressor durch jeden anderen ersetzt werden, wenn er außer Betrieb ist.
Im folgenden wird ein Beispiel der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung gegeben. Die Kühlgrundeinheiten bzw. Kühl-Kennwerte sind in Tabelle 1 für die Verdampfungstemperaturen Te von 5, 0, -5 und -10ºC angegeben, während die Kondensationstemperatur Tc gleichermaßen 40ºC für alle Kältekreisläufe beträgt. (Tabelle 1) Tc(ºC) Te(ºC) Grundeinheit (kWh/JRT)
wobei JRT die japanische Kühltonne (Japanese Refrigeration Tonnage, annähernd 3320 Kcal/h) bedeutet.
Wenn andererseits alle der Kompressoren 11 Kältemittel bei -10ºC ansaugen, müssen alle Güter mit der Kühlgrundeinheit bei -10ºC, nämlich mit 1,32 kWh/JRT belastet werden. In der vorliegenden Erfindung ist es jedem Kompressor 11 möglich, Kältemittel mit der höchstmöglichen Verdampfungstemperatur anzusaugen, woraus sich die Wirkung ergibt, daß die Kühlgrundeinheit um die Differenz reduziert werden kann. Ferner wird ein Ersatzsystem für die Kompressoren durch die Anordnung der automatischen Ventile 41 bis 44 verfügbar.
Dabei hängt ein Kondensationsdruck des Kältemittels von seiner Kondensationstemperatur in einem Kältekreislauf ab. Wenn somit die Kondensationsdrücke in den Kältekreisläufen im erwähnten System unterschiedlich voneinander sind, d.h. eine Mehrzahl von Kältekreisläufen mit zueinander unterschiedlichen Kondensationstemperaturen nebeneinander vorliegen, kann das Kältemittel daher zwischen den Kältekreisläufen überfließen.
Um dieses Überfließen des Kältemittels zu kompensieren, wird - wie in Fig. 1 dargestellt - ein Zusatzsystem vorgeschlagen, bei dem ein Rückschlagventil 51 und eine Pumpe 52 an jedem der Behälter 13 vorgesehen sind, um es dem flüssigen Kältemittel zu ermöglichen, durch eine Leitung 18 von jedem Behälter 13 jederzeit zu einem Evaporator 15 überzuströmen. Auf diese Weise ist es möglich, das flüssige Kältemittel in geeigneter Weise auf die Behälter 13 zu verteilen, während ein unterschiedlicher Kondensationsdruck in jedem Kältekreislauf beibehalten wird.
Die Kühlgrundeinheit kann wie beschrieben weiter reduziert werden, wenn jeder Kreislauf eine eigene Kondensationstemperatur unter Beibehaltung eines eigenen Kondensationsdrucks aufweisen kann.
Der Behälter 13 dient zur Aufnahme von flüssigem Kältemittel, das in einem Kondensator 12 kondensiert bzw. verflüssigt wurde und er kann unabhängig vom Kondensator bestehen, aber ebenso im Kondensator, z.B. im Bodenabschnitt des Kondensators, eingegliedert sein.
Wenn die Kompressoren 11 ferner unterschiedlich in ihrer Größe (Kühlkapazität) sind, können bessere Effekte für die zweckmäßige Verteilung der Güter erreicht werden.
Im folgenden wird Bezug auf die Fig. 4 und 5 genommen.
Fig. 4 zeigt ein Kältemittelspeisesystem bzw. -zuströmsystem mit verschiedenen Kondensationsdrücken. In diesem System enthalten jede der Mehrzahl der Kältekreisläufe einen Kompressor 11, einen Kondensator 12, einen Behälter 13, ein Expansionsventil 14 und einen Evaporator 15. Jeder der Kältekreisläufe verwendet die gleiche gemeinsame Kältemittelquelle, wobei die Kondensationsdrücke (auch die Kondensationstemperaturen) unterschiedlich voneinander sind. Auch die Verdampfungstemperatur in jedem Kreislauf ist individuell auf einen unterschiedlichen Wert festgesetzt.
Jeder der Behälter 13 und jedes der Expansionsventile 14 ist miteinander durch neun Leitungen bzw. Röhren 56 im Kältekreislauf gemäß Fig. 4 derart verbunden, daß jeder Behälter und jedes Expansionsventil miteinander in Verbindung treten kann. Die neun Röhren werden jeweils durch ein automatisches Ventil 57 gespeist, das wahlweise offen oder geschlossen ist.
Wenn Kältemittel von einem Behälter 13 zu einem Expansionsventil 14 gemäß Fig. 4 ausgesendet wird, sind die Ventile 57 entsprechend den Erfordernissen wahlweise geöffnet oder geschlossen, so daß ein geeigneter Kältemittelweg vorgegeben ist, um Kältekreisläufe mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken zu bilden. Daher kann Kältemittel unter hohem Druck von jedem Behälter 13 mit einem unterschiedlichen Kondensationsdruck zu jedem Evaporator 15 geleitet werden. Dies soll eine ungleichmäßige Verteilung des Kältemittels ausgleichen, was durch Umschalten der Ventile 41, 42 und 43 an den Leitungen 21, 22 und 23 mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen (siehe Fig. 6) bewirkt wird. Somit kann Kältemittel von einer Überschußseite zu einer Mangelseite über die Kältekreisläufe mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken übergeleitet werden.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Kältemittelzufuhrsystem mit Mehrfach-Kondensationsdrücken. In diesem System enthält jeder der Mehrzahl der Kältekreisläufe einen Kompressor 11, einen Kondensator 12, einen Behälter 13, ein Expansionsventil 14 und einen Evaporator 15, und weist einen voneinander unterschiedlichen Kondensationsdruck auf. Zusätzlich ist eine Zwischenverbindungsleitung bzw. -röhre 53 am Behälter 13 angeordnet; eine Pumpe 52 ist in der Nebenröhre am Grund des Behälters 13 angeordnet, um Kältemittel aus dem Behälter 13 in die Zwischenverbindungsröhre 53 zu pumpen; und ein automatisches Ventil 51 ist in der Leitung, die parallel zur Pumpe 52 in jedem Kreislauf vorgesehen ist, angeordnet. Das automatische Ventil 51 wird verwendet, um den Behälter 13 auszuwählen, zu dem Kältemittel durch die Zwischenverbindungsröhre 53 fließen soll.
Die Pumpe 52 wird bedient, um Kältemittel von dem mit der Pumpe 52 verbundenen Behälter abzupumpen und das Ventil 51 vor dem mit Kältemittel gespeisten Behälter wird geöffnet, so daß das Kältemittel unter den Behältern 13 in den Kältekreisläufen mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken - gemäß der Darstellung in Fig. 5 - mit einem höheren Druck als denjenigen in dem zu speisenden Behälter, neu verteilt wird. In diesem System kann Kältemittel mit hohem Druck von einem der Kondensatoren 12 jederzeit zu einem der Evaporatoren über die Kältekreisläufe mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken übergeleitet werden. Damit kann ein Überströmen des Kältemittels zwischen den Kältekreisläufen kompensiert werden, das durch das Umschalten der Ventile 41, 42 und 43 (siehe Fig. 6) verursacht wird, die von den Leitungen 21, 22 und 23 mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen gespeist werden. Kältemittel wird von einer Überschußseite zu einer Mangelseite über die Kältekreisläufe mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken geleitet.
Wie beschrieben kann Hochdruck-Kältemittel durch das Kältemittelzulaufsystem mit Mehrfach-Kondensationsdrücken gemäß Fig. 4 oder durch das Hochdruck-Kältemittel-Verteilsystem gemäß Fig. 5 neu verteilt werden, wobei eine Mehrzahl von Kältekreisläufen mit unterschiedlichen Kondensationsdrücken mit bzw. aus einer gemeinsamen Kältemittelquelle betrieben bzw. bedient werden können. Dies verbessert ferner den Wert der Kühlgrundeinheit hinsichtlich des Energieverbrauches eines Kältesystems, das verschiedene unterschiedliche Verdampfungstemperaturen (optimales Gutverteilungssystem) gemäß Fig. 6 aufweist.
In Tabelle 2 werden die Kühlgrundeinheiten angezeigt, um zwei Fälle zu vergleichen, d.h. einen Fall in dem ein gemeinsamer Behälter 13a für eine Mehrzahl von Kältekreisläufen gemäß der Darstellung mit der strichpunktierten Linie in Fig. 6 verwendet wird, wobei der Kondensationsdruck auf dem höchsten Wert gleich bleibt und der andere Fall ist der, daß flüssiges Kältemittel gemäß der vorliegenden Erfindung neu verteilt wird. Die Kühlgrundeinheiten werden gemäß der Darstellung in Tabelle 2 in Verbindung mit der Kombination der Kondensationstemperatur Tc und der Verdampfungstemperatur Te berechnet. (Tabelle 2) Fall 1: Gemeinsamer Behälter Fall 2: Neuverteilung Referenzgrundeinheit Kreislauf
wobei Tc und Te in ºC und die Referenzgrundeinheit als kWh/JRT angegeben sind.
Gemäß dieser Tabelle können die Kühlgrundeinheiten offensichtlichen bei einem flüssigen Kältemittel-Neuverteilungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung hervorragend reduziert werden, da die Verdampfungstemperaturen Te auf verschiedene Werte festgesetzt und ebenso die Kondensationstemperaturen Tc individuell auf unterschiedliche Werte, abhängig vom Kältekreislauf, gesetzt werden können.
Figur 7 zeigt ein System, bei dem drei Kältekreisläufe 46, 47 und 48 entsprechend dem thermischen Verlauf angeordnet sind, wobei jeder der Kältekreisläufe einen Kompressor 11, einen Kondensator 12, einen Behälter 13, ein Expansionsventil 14 und einen Evaporator 15 aufweist.
In den Kondensatoren 12 des jeweiligen Kältekreislaufes tauscht das Kältemittel Wärme in Gegenströmweise mit einem Kühlwasser, das durch eine Leitung 91 eines Wärmepumpensystems fließt, aus. Die Evaporatoren 15 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 sind in der Reihenfolge von einer hohen Verdampfungstemperatur zu einer niedrigen entlang der Leitung 92 vom Zulauf zum Ablauf angeordnet, durch die Kühlwasser für Malz oder eine andere zu kühlende Flüssigkeit fließt. Die Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 sind ebenso in der Reihenfolge von einer niedrigen Kodensationstemperatur zu einer hohen entlang der Leitung 91 für Kühlwasser eines Wärmepumpensystems vom Zulauf zum Ablauf angeordnet.
Dieses System arbeitet wie folgt. In den Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 tauscht das Kältemittel Wärme in Gegenströmweise mit einem Kühlwasser aus, das durch eine Leitung 91 eines Wärmepumpensystems fließt. Das Kühlwasser in den Kondensatoren 12 wird dadurch erhitzt und fließt von den Kondensatoren in eine Leitung 91 eines Wärmepumpensystems hinaus. In den Evaporatoren 15, die in einer Reihe von einer höchsten Verdampfungstemperatur zur niedrigsten entlang der Leitung 92 angeordnet sind, tauscht das Kältemittel in Gegenströmweise mit einer zu kühlenden Flüssigkeit, die durch eine Leitung 92 fließt, Wärme aus. Diese Anordnung ermöglicht Verdampfungstemperaturen der Kältekreisläufe 47 und 48 in der höchstmöglichen Weise, was zu einer Verringerung der Kühlgrundeinheit als Ganzes führt und Energie einspart.
Die erforderliche Kapazität jedes Kältekreislaufes kann durch Anheben des Sättigungsdrucks des Kältemittels, das zum Kompressor 11 in jedem Kältekreislauf 46, 47 und 48 angesaugt wird, reduziert werden.
Das Kältemittel in den Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe tauscht Wärme mit dem durch eine Leitung 91 fließenden Kühlwasser bei stufenweise zunehmenden Kondensationstemperaturen aus.
Die Temperaturcharakteristik des Systems ist wie folgt.
Die Kondensationstemperaturen Tc sind 35, 43 und 52ºC in den Kondensatoren 12 der jeweiligen Kältekreisläufe 46, 47 und 48. Ein Kühlwasser fließt in die Leitung 91 eines Wärmepumpensystems mit 25 ºC an seinem Einlaß hinein und erfährt in den Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 einen Wärmeaustausch in der Weise, daß es auf 33, 41 und 50ºC an jedem Auslaß des Kondensators erwärmt wird. Die Verdampfungstemperaturen Te sind 15, 8 und 1ºC in den evaporatoren 15 der jeweiligen Kältekreisläufe 48, 47 und 46 und die zu kühlende Flüssigkeit wird jeweils auf 17, 10 und 3ºC herabgekühlt.
Fig. 8 zeigt eine Konstruktion eines anderen Systems, in dem die Kältekreisläufe entsprechend dem thermischen Verlauf angeordnet sind. In den Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 tauscht das Kältemittel Wärme in einer Gegenlaufweise mit einem durch die Leitungen 93 fließenden Kühlwasser aus und wird dann durch einen Kühlturm wiederverwertet.
Die Evaporatoren 15 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 sind in der Reihenfolge von der höchsten Verdampfungstemperatur zur niedrigsten entlang der Leitung 92 vom Zulauf zum Ablauf angeordnet, durch die Kühlwasser für Malz oder eine andere zu kühlende Flüssigkeit fließt.
Dieses System arbeitet wie folgt. In den Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 tauscht das Kältemittel Wärme in Gegenlaufweise des Kühlwassers aus, das in den Leitungen 93 durch eine Kühlturm wiederverwertet wurde.
In den Evaporatoren 15 der Kältekreisläufe, die in der Reihenfolge von der höchsten Verdampfungstemperatur zur niedrigsten entlang der Leitung 92 angeordnet ist, tauscht das Kältemittel Wärme in Gegenströmweise mit einer zu kühlenden Flüssigkeit, die durch eine Leitung 92 fließt, aus. Diese Anordnung ermöglicht Verdampfungstemperaturen der Kältekreisläufe 47 und 48 in der höchstmöglichen Weise, was zu einer Verringerung der Kühlgrundeinheit als Ganzes führt und Energie einspart.
Die erforderliche Kapazität für jeden Kältekreislauf kann durch Anheben des Sättigungsdrucks des durch den Kompressor 11 in jedem Kältekreislauf 47 und 48 angesaugten Kältemittels reduziert werden.
Die Temperaturcharakteristik dieses Systems ist wie folgt.
Die Kondensationstemperaturen Tc sind 40ºC in allen Kondensatoren 12 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48. Ein Kühlwasser fließt durch die Leitungen 93 mit 25ºC an allen Einlässen der Kondensatoren und erfährt einen Wärmeaustausch in den Kondensatoren 12, wobei es auf 37ºC bei allen Auslässen der Kondensatoren erwärmt wird. Die Verdampfungstemperaturen Te sind 15, 8 und 1ºC in den Evaporatoren 15 der jeweiligen Kältekreisläufe 48, 47 und 46 und die zu kühlende Flüssigkeit mit 25ºC wird jeweils auf 17, 10 und 3ºC herabgekühlt.
Fig. 9 zeigt ein weiteres System, das ähnlich dem in Fig. 7 dargestellten System ist. Die Evaporatoren 15 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 sind in der Reihenfolge von einer höchsten Verdampfungstemperatur zur niedrigsten entlang einer Leitung 94 vom Zulauf zum Ablauf angeordnet, durch die Salzlauge zirkuliert. Ein Wärmetauscher 83 ist versehen mit der Leitung 94, durch die Salzlauge, die durch die Evaporatoren 15, in den Kältekreisläufen 46, 47 und 48 gekühlt wird zirkuliert, und der Leitung 92 für die zu kühlende Flüssigkeit. Die zu kühlende Flüssigkeit fließt durch den Wärmetauscher 83 und die Leitung 92. Das Kältemittel fließt durch den Evaporator 15 der Kältekreisläufe 46, 47 und 48, wobei es über die Salzlauge Wärme mit der zu kühlenden Flüssigkeit, die durch die Leitung 92 fließt, austauscht.
Diese Anordnung ermöglicht Verdampfungstemperaturen der Kältekreisläufe in der höchstmöglichen Weise. Das verdampfte Kältemittel kühlt die Salzlauge, die ihrerseits eine zu kühlende Flüssigkeit, die durch die Leitung 92 fließt, kühlt. Das Kältemittel wird nie mit der zu kühlenden Flüssigkeit in der Leitung 92 vermischt, auch nicht wenn das Kältemittel der Kältekreisläufe 46, 47 und 48 aus den Evaporatoren 15 ausläuft, da das Kältemittel und die Flüssigkeit ihren Wärmeaustausch über die Salzlauge durchführen. Die Salzlauge wird auf 0ºC abgekühlt und auf 22ºC im Wärmetauscher erwärmt. Im System gemäß Fig. 9 kann Kühlturmwasser als Kühlwasser entsprechend der Kondensatoranordnung nach Fig. 8 verwendet werden.
Die in Fig. 7 und 8 aufgezeigten Systeme basieren vergleichbar auf Experimente aus dem Stand der Technik, der in Fig. 10 dargestellt ist, im Hinblick auf die Bedingungen bezüglich der laufenden Kosten und der Kompressorkapazitäten, und die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 3 und 4 dargestellt. Diese Werte werden bei einem 300 JRT Kältesystem ohne Wärmeaustausch durch Salzlauge als sekundäres Kühlmedium erreicht. (Tabelle 3) Einrichtungen gemäß Figur 7 und 8 Wellenleistung (kW) Durchlauf (m³) Bedingungen (Tc/Te) (ºC) Gesamt (Tabelle 4) Einrichtungen gemäß Figur 10 Wellenleistung (kW) Durchlauf (m³) Bedingungen (Tc/Te) (ºC)
Aus dem oben aufgezeigten Ergebnis des Versuches wird verständlich, daß die Wellenleistung und die Durchlaufmenge in den Einrichtungen gemäß Fig. 7 und 8 jeweils auf die Hälfte und auf Zweidrittel im Vergleich zu denen der Einrichtung gemäß Fig. 10 verringert wurden.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf eine Vielzahl von Kältekreisläufen.
Eine zu kühlende Flüssigkeit beschränkt sich nicht auf Kühlwasser für Malz, da die vorliegende Erfindung zum Abkühlen jeder Flüssigkeitsart anwendbar ist.
Es ist verständlich, daß ein entsprechend ausgebildeter Fachmann Veränderungen in der Gestalt und in den Details vornehmen kann, ohne den Bereich der Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Kältevorrichtung mit:

einer Mehrzahl von Hauptleitungen (21-24), die jeweils für jeden der Kältemitteldampfströme mit unterschiedlichen Temperaturen vorgesehen sind, und

einer Mehrzahl von Kältekreisläufen, wobei jeder der Kältekreisläufe versehen ist mit:

einem Kompressor (11), der mit jeder der Hauptleitungen (21-24) durch eine jeweilige Ansaugleitung (31-34) mit einem Ansaugventil (41-44) verbunden ist,

einem Kondensator (12) zum Kondensieren des vom Kompressor (11) herangeführten Kältemittels,

einem Behälter (13) zur Aufnahme des vom Kondensator (12) ankommenden Kältemittels, und

zumindest einer Verdampfungseinheit für jede Hauptleitung (21-24), die im wesentlichen aus einer Expansionseinrichtung (14) und einem Evaporator (15) besteht, wobei die Expansionseinrichtung (14) das vom Behälter ankommende Kältemittel drosselt und in den Evaporator (15) hinein expandiert, und der Evaporator (15) das Kältemittel bei einer dieser unterschiedlichen Temperaturen verdampft, um das Kältemittel in die Hauptleitung zu übertragen, durch die der Kältemitteldampfstrom mit der gleichen Temperatur wie die eine der unterschiedlichen Temperaturen strömt.

2. Kältevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen des Kältemittels in den Hauptleitungen (21-24) aus dem Temperaturbereich von -10ºC bis +5ºC gewählt sind.

3. Kältevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ansaugventil (41-44) ein automatisches Ventil mit einer einjustierbaren Ventilöffnung ist.

4. Kältevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der Kältekreisläufe ferner eine Einrichtung (18, 51, 52; 51, 52, 53; 56, 57) zum Übertragen flüssigen Kältemittels von dem Behälter zu einem Behälter jedes anderen Kältekreislaufes enthält.

5. Kältevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zur Übertragung des flüssigen Kältemittels eine Kältemittelübertragungsleitung (56) vom Behälter zu einem Behälter jedes anderen Kältekreislaufes, und ein Ventil (57) enthält, das in der Kältemittelübertragungsleitung (56) derart vorgesehen ist, daß das Kältemittel vom Behälter zu einem ausgewählten Behälter eines anderen Kältemittelkreislaufes durch die Kältemittelübertragungsleitung (56) mit dem selektiv geöffneten Ventil (57) mittels Druckunterschied zwischen dem Behälter und dem ausgewählten Behälter übertragen werden kann, vorausgesetzt daß der Druck des Kältemittels im Behälter höher ist, als der des Kältemittels in dem ausgewählten Behälter.

6. Kältevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zur Übertragung des flüssigen Kältemittels eine mit dem Behälter verbundene Pumpe (52), eine Kältemittelübertragungsleitung (18; 53), die von der Pumpe (52) zu einem Behälter jedes anderen Kältekreislaufes ausgebildet ist, und ein Ventil (51) enthält, das in der Kältemittelübertragungsleitung (18, 53) vorgesehen ist, so daß das Kältemittel durch die Pumpe (52) von dem Behälter zu einem ausgewählten Behälter eines anderen Kältekreislaufes durch die Kältemittelübertragungsleitung mit dem selektiv geöffneten Ventil (51) übertragen werden kann.